CC BY
36
СЕМИНАР 10
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ «НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 98» МОСКВА, МГГУ, 2.02.98 - 6.02.98
А.Ю. Охапкин, Институт проблем комплексного освоения недр РАН
О КЛАССИФИКАЦИИ ПО КАТЕГОРИЯМ ВЗРЫВООПАСНОСТИ РУДНИЧНОЙ АТМОСФЕРЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ МЕТАН, ЕГО ГОМОЛОГИ И ВОДОРОД
Для многих предприятий добывающих отраслей промышленности России характерно выделение в рудничную атмосферу метана, его гомологов и водорода, образующих в смеси с воздухом взрывоопасные смеси. Безопасное ведение работ в таких условиях требует, согласно ГОСТ
12.1.010-76 "Взрывобезопас-
ность. Общие требования" исключения образования взрывоопасной среды и образования источника инициирования взрыва.
Такими источниками инициирования взрыва выступают электрические разряды и нагретые поверхности. По результатам исследований воспламенения от таких инициаторов, все взрывоопасные смеси разбиты на 4 категории взрывоопасности (1, ПА, ПВ, ПС) и 6 температурных групп (Т1-Т6).
Для предприятий, в рудничную атмосферу которых выделяется метан, проблема безопасного применения электрической энергии практически решена. Таким
Состав горючих газов, выделяющихся в рудничную атмосферу некото
примером являются угольные шахты. Исключение составляют отдельные шахты Кизеловского
[1], Печорского [2], Кузнецкого [3] угольных бассейнов. Здесь в рудничную атмосферу выделяются, помимо метана, его гомологи, а иногда и водород. Сходная картина наблюдается и на многих рудниках [4]. В качестве примера в таблице 1 приведен состав газов, выделяющихся в горные выработки таких объектов.
Таблица 1 >ых шахт и рудников [1,2,3,4,|.
Шахты, рудники Состав газов, % относительные СН, С2Н6 С3Н С4Н10 Н2 Плотность горючих газов без водорода, кГ/ м3
Проба при проходке около-ствольных выработок по тур-кейским известнякам на шахте им. Ленина. 43,3 18,7 14,3 6,9 - 1,373
Газы, выделившиеся в горные выработки шахт "Тырганская", "Наградская", "Тайбинская". 21,2 46,8 15,4 0,8 15,8 1,327
Тоннель "Юкспор". 89,91 0,64 1,29 0,04 12,55 0,739
В связи с тем, что в ГОСТ
12.1.011-78 "Смеси взрывоопасные. Классификация и методы испытаний" отсутствует методика классификации многокомпонентных смесей, отнесение рудничной атмосферы к соответствующей категории взрывоопасности невозможно. В упомянутом ГОСТе приведены лишь отдельные составы смесей, отнесенные к определенной категории взрывоопасности.
Другая проблема связана с классификацией горючих смесей при их поджигании нагретыми телами малого размера. Классификация по температурным группам, как показывают результаты исследований, здесь не применима [5]. Так, воспламенение 20% водородовоздушной смеси от платинового шарика диаметром 5 мм происходит при его температуре 8100С, а воспламенение 3%-пентановоздушная смеси от такого же шарика происходит
при температуре 1040° С. 8% метановоздушная смесь воспламеняется от платинового шарика с диаметром 6,5мм при температуре 12000 С. Температуры самовоспламенения, положенные в основу классификации, составляют для этих смесей соответственно 5300С, 2870С и 5370С. В то же время эти горючие газы относятся соответственно к ПС, ПА и 1 категориям взрывоопасности. Последнее разделение хорошо согласуется с вышеприведенными соотношениями воспламеняющих температур. Для разрешения этих проблем в лаборатории электрофизических исследований ИПКОН РАН был проведен комплекс исследований воспламенения горючих смесей от нагретых тел малого размера. На первом этапе исследований были установлены наиболее легковос-пламняемые концентрации (НЛВК)
горючих смесей, являющихся представительными для 1, ПА, ПВ и ПС категорий взрывоопасности. Критерием воспламеняющей способности нагретых тел, как было установлено в ходе исследований, является удельная воспламеняющая мощность (УВМ) (мощность, рассеиваемая на нагретом теле, отнесенная к его характеристическому размеру).
В качестве нагретых тел малого размера использовались термоэлементы датчиков метана сфероидной формы диаметром от 0,2 мм до 0,7 мм и спирали из нихромовой проволоки с диаметром от 0,4 мм до 1,5 мм и длиной от 0,5 мм до 2,5 мм. Величины НЛВК и УВМ для представительных смесей, определенные в экспериментах, приведены в табл. 2.
Величина НЛВК и УВМ при воспламенении представительных горючих смесей от нагретых тел малого размера
Представительный газ НЛВК, % об. УВМ, Вт/мм УВМ/ УВМСН4 НЛВК,% об ГОСТ227825-78 МТВ БЭМЗ/ БЭМЗсн4 d кр, мм
СН4 8,91+0,52 2,52 1 8,0-8,6 1 1,0 2,08
СэН8 5,19+0,26 1,83 0,726 5,0-5,6 0,800 0,807 1,78
С2Н4 7,50+0,30 1,37 0,544 6,8-7,8 0,550 0,570 1,2
Н2 21,44+0,93 0,69 0,274 19,0-23,0 0,270 0,254 0,52
Для сравнения в таблице 2 приведены также величины НЛВК, МТВ (минимальный ток воспламенения смеси, отнесенный к той же величине метановоздушной смеси) и БЭМЗ (безопасный экспериментальный максимальный зазор, через который не происходит распространение пламени) и гасящего расстояния dкр.
Величины НВЛК, определенные экспериментально для воспламенения представительных го-
рючих смесей от нагретых тел малого размера и используемые для испытания электрооборудования согласно ГОСТ 22782.5-78, практически совпадают. Также практически совпадают величины УВМ/УВМСН4 и классификационных параметров МТВ и БЭМЗ/БЭМЗСН4 для представительных смесей. Это свидетельствует о возможности использования для классификации горючих смесей на ряду с традиционными
классификационными параметрами нового параметра -УВМ.
На втором этапе исследований были определены НЛВК и УВМ для тройных смесей воздуха, водорода и метана, этана или бутана. Исследования выполнялись по методикам разработанным и апробированным на первом этапе исследований. Величины НЛВК для некоторых смесей приведены в табл. 3.
Таблица 3
Величины НЛВК для горючих смесей.
Н2 Содержание газов, % СН4 С2Н6 С4Н10 Плотность смеси, у, кГ/м3 НЛВК, % об
20,6 79,4 - - 0,5873 9,5
41,3 58,7 - - 0,4574 10,3
78,0 22,0 - - 0,2271 14,9
18,5 - 81,5 - 1,122 6,7
91,0 - 19,0 - 0,3386 16,8
22,0 - - 78,0 2,104 5,9
91,5 - - 8,5 0,3086 14,1
Таблица 4
Величина УВМ для горючих смесей
Содержание газов, % отн. Н2 СН4 С2Н С4Н10 Плотность газов без водорода,кГ/м3 УВМ/УВМСН4
20,1 79,9 - - 0,7166 0,751
80,5 19,5 - - 0,7166 0,346
39,8 - 60,2 - 1,356 0,503
80,0 - 20,0 - 1,356 0,323
19,5 - - 80,5 2,672 0,618
59,5 - - 40,5 2,672 0,400
Величина НЛВК горючей смеси связана с плотностью газов, её образующих. После обработки экспериментальных данных была получена формула, связывающая эти параметры смеси:
7,153
НЛВК _ у 0,446 (1)
где: у - плотность горючих смесей с учетом водорода.
Для тех же многокомпанент-ных смесей с НЛВК были определены УВМ. Результаты определения УВМ для некоторых смесей приведены в табл. 4.Как видно из данных табл. 4, УВМ/УВМСН4 изменяется при изменении плотно сти и содержания водорода в смеси. После математической обработки зависимости УВМ/УВМСН4
от этих факторов была получена следующая формула:
УеМ /УеМсн 4 -
_ (__________75___________)5,45
7,9-0,4( Усн4 )2 +0,02-Усн4 сн2 Усм Усм
(2)
где: уСН4 - плотность метана , кГ/м3; уСМ - плотность смеси (без водорода), кГ/м3; СН2 - содержание водорода, % об.
Таким образом зная процентное содержание метана, его гомологов и водорода в составе выделившихся газов можно определить величину классификационного параметра УВМ/УВМСН4. На основании данных таблицы 2
УВМ / УВМсн4 _ МТВ _
_ БЭМЗ / БЭМЗсн4 _ (3)
_ Лкр/ ЛкрСН4 _ СОП^
Это позволяет использовать формулу 2 для классификации многокомпонентных смесей.
В качестве примера определим категорию взрывоопасности руд-
ничной атмосферы предприятий, приведенных в табл 1.
Классификация рудничной атмосферы горнодобывающих предприятий.
Таблица 5
№пп Плотность смеси без водорода, кГ/м3 Содержание водорода, % об. МТВ К атегория взрывоопасности по ГОСТ 12.1.011-78
1 1,373 - 0,813 II А
2 1,327 15,8 0,67 II В
3 0,739 12,55 0,824 II А
4 0,839 - 0,93 I
5 0,770 10,4 0,833 II А
Таким образом, в результате проделанной работы, можно решить задачу классификации рудничной атмосферы, содержащей метан, его гомологи и водород.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дозорцев Р.Н. Нефтегазонос-ность Кизеловского каменноугольного бассейна. Сборник Г еология
и полезные ископаемые карбона Западного Урала. Пермь, изд-во ППИ, 1969 выпуск 38. С. 168-177.
2. Токарева Э.Г., Ефремов Г.А. Тяжелые углеводороды в угольных месторождениях. Известия ВУЗов, Геология и разведка, 1976, № 4. С. 183-185.
3. Дмитриев А.М., Устинов Н.И., Пак В.С. Газоносность и газообиль-ность выработок при новой техноло-
гии выемки в условиях Прокопьевско-Киселевского района Кузбасса, -М.: изд-во ЦНИЭИ уголь, 1985 - 32 с.
4. Матвиенко Н.Г. Прогноз газопроявлений при разработке рудных месторождений. М., Наука , -1976 - 80 с.
5 Льюис Б., Эльбэ Г. Горение, пламя и взрывы в газах. -М.:, Мир, -1968 - 592 с
© А.Ю. Охапкин
